秦巴山脉区域生态系统服务重要性评价及生态安全格局构建

宋婷 ,  李岱青 ,  张林波 ,  王光镇 ,  高艳妮 ,  杨春艳 ,  冯朝阳 ,  马欢

中国工程科学 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (1) : 64 -72.

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中国工程科学 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (1) : 64 -72. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2020.01.007
秦巴山脉绿色循环发展战略研究（二期）

秦巴山脉区域生态系统服务重要性评价及生态安全格局构建

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Importance Evaluation of Ecosystem Services and Construction of Ecological Security Pattern in Qinba Mountain Area

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摘要

秦巴山脉地区生态系统的生态安全格局对维护我国中部地区生态系统结构健康、控制生态过程起着关键性的作用，构建合理的生态安全格局是保障该地区生态安全的有效措施。本研究在对秦巴山脉地区水源涵养、物种多样性、生态固碳和土壤保持服务功能重要性评估的基础上，根据这四项生态服务功能在生态资产价值中所占比重赋予权重，结合生态系统敏感性分析结果，采用景观生态的源汇理论，利用热点分析工具识别秦巴山脉地区生态源地。运用最小累积阻力模型识别潜在生态廊道，在此基础上结合区域内河流水系、关键物种分布特征、自然保护区分布等要素形成带状生态廊道和踏脚石生态廊道；最终形成由6 大重要生态斑块、10 条河流廊道、2 条生物通道，以及26 处踏脚石廊道组成的秦巴山脉地区生态安全格局。基于生态系统服务功能重要性的生态安全格局构建，是在生态服务现状基础上提出的规划策略，可为秦巴山脉地区国家公园规划布局，区域生态保护规划和生态文明建设提供重要依据。

Abstract

The ecological security pattern in the Qinba Mountain Area plays a key role in maintaining a healthy ecosystem structure and regulating the ecological process in central China. Constructing a sound ecological security pattern is also an effective measure for ensuring ecological security in the Qinba Mountain Area. This study assesses the importance of four ecological service functions in the Qinba Mountain Area, namely water conservation, species diversity, ecological carbon fixation, and soil conservation. It then assigns weight to these four ecological services according to their proportion in the value of ecological assets. Based on the results of an ecosystem sensitivity analysis and the source-sink theory for landscape ecology, ecological sources of the Qinba Mountain Area are identified using optimized hot spot analysis. Moreover, potential ecological corridors are identified using the minimum cumulative resistance model; strip corridors and stepping stone corridors are further formed according to the river system, the distribution characteristics of key species, and the distribution of nature reserves in this region. Finally, the ecological security pattern of the Qinba Mountain Area is formed, including 6 important ecological patches, 10 river corridors, 2 biological channels, and 26 stepping stone corridors. This study is conducted based on the current situation of ecosystem services and can provide an important basis for the planning and layout of national parks, regional ecological protection and planning, as well as ecological civilization construction in the Qinba Mountain Area.

关键词

秦巴山脉区域 / 生态系统服务 / 生态安全格局 / 生态源地 / 生态廊道

Key words

秦巴山脉区域 / 生态系统服务 / 生态安全格局 / 生态源地 / 生态廊道 / Qinba Mountain Area / ecosystem services / ecological security pattern / ecological source / ecological corridors

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宋婷,李岱青,张林波,王光镇,高艳妮,杨春艳,冯朝阳,马欢. 秦巴山脉区域生态系统服务重要性评价及生态安全格局构建[J]. 中国工程科学, 2020, 22(1): 64-72 DOI:10.15302/J-SSCAE-2020.01.007

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一、前言

城市化进程中所造成的生态环境问题正制约着区域社会经济的可持续发展，这已成为世界各国关注的焦点 [1,2]。生态安全是可持续发展的基本保障 [3]，区域生态安全格局是保障区域生态安全和人类福祉的关键环节 [4]。党的“十九大”将生态文明建设提升为“千年大计”，提出要实施重要生态系统保护和修复重大工程，优化生态安全屏障体系，构建生态廊道和生物多样性保护网络，提升生态系统质量和稳定性。合理构建生态安全格局是维护区域生态系统稳定，改善生态系统服务能力，协调发展与生态环境保护的关系，促进资源合理配置，保障区域生态安全的重要手段。

目前，“识别生态源地 – 构建阻力面提取廊道 – 判别安全格局”的方法，已成为国内外学者构建生态安全格局的基本模式 [5,6]，在选择生态源地时，大多采用自然保护区、风景名胜区、大面积水域、湿地和林地等重要生态用地作为生态源地，或对斑块采取多指标叠加分析进行重要性评价 [7]，较少有从生态系统服务功能的角度选取重要板块作为生态源地。生态系统服务是生态安全的前提和保障，生态环境良好的地区生态系统服务越强，生态安全程度越高，反之则存在生态安全隐患 [8]。区域生态系统服务能力的核算，以及空间化布局结果，可以作为生态功能区划、生态环境保护决策和土地利用配置对策制定的依据和基础 [9~11]。

本研究针对秦巴山脉地区生态环境本底特征，分别对水源涵养、水土保持、生态固碳和物种多样性四种生态系统服务重要性和研究区生态敏感性进行评估，识别出能够保障区域生态安全的生态源地；同时，利用研究区生态系统服务重要性取倒数构建基本阻力面，运用最小累积阻力模型识别潜在生态廊道，在此基础上结合区域内河流水系、关键物种分布特征、自然保护区分布情况等要素，形成带状生态廊道和踏脚石生态廊道；从而构建秦巴山脉地区生态安全格局，可为该地区建设发展及生态保护提供指导。

二、研究区域与数据来源

（一）研究区域概况

秦巴山脉地区指长江最大支流——汉水上游的秦岭、大巴山及其毗邻地区，西起青藏高原东缘，东至华北平原西南部，面积为 3.086×105 km2 。地跨甘肃、四川、陕西、重庆、河南、湖北五省一市，共包括 120 个县（市、区），其主体位于陕西南部地区。该区域地处我国地理中心，是中国南北过渡带，长江黄河两大流域分水岭，南北方的中央气候调节器，也是我国中部地区唯一规模性洁净水源地。

该区域是中国生物多样性热点地区之一，是中国最重要的特有物种分布区，区域内分布有川金丝猴、朱鹮、大熊猫、羚牛等 120 余种国家级保护动物和珍稀植物，也是中国唯一或最重要的大尺度生态廊道，其对维护中国生物多样性和特有性具有重要意义[12]。该区域水资源丰富，丹江、汉江、嘉陵江以及汉江最大支流堵河等均发源于此，是我国南水北调中线工程的水源地，被誉为我国的“中央水库”。

（二）数据来源

本研究所用数据主要包括秦巴山脉地区土地利用数据（LUCC）、高程数据（DEM）、中国1∶1 000 000 土壤类型数据、中国 1∶1 000 000 植被类型空间分布数据、归一化植被指数（NDVI）[13]、MOD16 蒸散发数据、MOD09A1 地表反照率数据、光合有效辐射数据、碳通量及其所在站点的气象观测数据、气象数据和统计数据，具体数据情况见表 1。

表 1 数据来源及基本情况

三、研究方法

（一）生态系统服务评估

在全国生态功能区划中，秦巴山脉地区有
67.78% 的区域属于生态调节区、27.66% 的区域属于农林产品提供区，区域内分布有水源涵养主导功能区、生物多样性主导功能区和土壤保持主导功能区。所以，本研究结合秦巴山脉地区的生态环境现状，从水源涵养、土壤保持、生态固碳和物种多样性 4 个主导服务功能角度对秦巴山脉地区生态系统服务进行评价。其中，水源涵养采用水量平衡模型，根据多年平均降雨量、蒸发散量和地表径流量的差值来表达；土壤保持采用目前应用最广的通用土壤流失方程（USLE），采用潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀的差值来表达；陆地生态系统固碳服务（CF）核算涉及三个组分，包括总初级生产力（GPP）、生态系统呼吸（Re）和农产品利用的碳消耗量（CCUc），其中采用 VPM 模型来表征 GPP 的变化 [14]，采用 ReRSM 模型来表征 Re 的变化 [15]，利用农产品产量、作物收获指数、含水量和含碳系数计算农产品利用的碳消耗量 [16]；物种多样性分布以秦巴山脉地区各地级市生物多样性指数（BI）为基础，选取对物种多样性空间分布格局产生影响的土地利用 / 覆被变化（LUCC）、植被类型空间分布（VT）、地形特征（DEM）和植被指数（NDVI），共同构建栅格像元尺度上的秦巴山脉地区物种多样性空间分布格局。各生态系统服务按照自然断点法分为高、较高、中、较低、低五个级别，以全球生态系统服务价值估算中各项生态系统服务在生态资产中的比重构成为依据 [17]，确定各项生态系统服务的权重，并进行加权叠加分析，得到秦巴山脉地区生态系统服务重要性空间分布结果。

（二）生态敏感性分析

根据秦巴山脉地区山地资源、河流资源丰富的特征，依据主导因素综合性和代表性原则，选取年降水量、地形坡度、植被覆盖度、土壤质地和土地利用类型 5 个因子，建立秦巴生态敏感性指标体系，具体分级标准主要参考国家生态环境部颁发的《生态功能区暂行规程》《生态保护红线划定技术指南》、国家有关生态功能区划工作生态敏感性指标体系分级标准以及相关研究 [18,19]，各因子权重根据层次分析法（AHP）获得，具体分级标准见表 2。生态敏感性评价总分等于各单因子评分值加权求和结果。

表 2 生态敏感性评价指标

（三）生态安全格局构建

区域生态系统安全格局的构建，对维护区域生态系统安全，维持区域生态系统结构健康、生态过程完整起关键作用 [20,21]。本文在对秦巴山脉地区主要的生态系统服务进行重要性评估的基础上，结合生态敏感性分析，借鉴景观安全格局理论，通过冷热点分析，提取高值区三种置信水平的结果，作为秦巴山脉地区的生态源地，利用最小累积阻力（MCR）模型，计算源地对应的潜在生态廊道，共同构建秦巴山脉地区的生态安全格局。

1. 生态源地识别

生态源地的识别，以生态系统服务重要性和生态敏感性为基础，将生态重要性强、且生态敏感的斑块作为源地斑块。将生态敏感区和生态系统服务重要性评价结果进行叠加，利用 ArcGIS 空间分析模块的热点分析工具识别叠加后的生态系统重要性冷热区域，提取置信度 90% 以上的热点区域作为秦巴山脉区域生态源地备选地。由于生态源地需要达到一定规模才能发挥作用 [22,23]，结合秦巴山脉地区的区域特征，选取备选地大于 5 km 2 的斑块作为生态源地。

2. 生态廊道构建

在确定生态源地的基础上，依据最小阻力累积模型，将每个栅格单元的生态系统服务价值视为服务流动的阻力，价值越高阻力越小。对生态系统服务重要性取倒数，得到各源地之间的累积阻力最小的路径，即潜在的生态廊道。充分考虑秦巴山脉地区生态安全格局构建的可行性，结合现状河流分布，指示物种生活习性，形成秦巴山脉地区的生态廊道。

四、结果分析

（一）生态系统服务评估

通过模型计算，核算出秦巴山脉地区水源涵养量、水土保持量、生态固碳量和生物多样性空间分布情况。结果表明，利用水量平衡法计算得到秦巴山脉地区水源涵养总量为 6.9425×1010 m3，折合径流深度为 226.14 mm，水源涵养量总体呈现以神农架、大巴山山脉、秦岭山脉为中心向周围辐射状递减的趋势，水源涵养能力较大的地区主要分布在山地区域，东部、北部的城市分布区域和西部地区水源涵养能力较小。利用通用土壤流失方程可以得到秦巴山脉土壤保持量为 4.1786×107 t/a，从空间分布上来看，土壤保持量高值区主要分布在秦岭、大巴山脉和神农架地区。秦巴山脉地区生态系统固碳功能约为 108.60 TgC/a，地均固碳量约为368.18 gC·m–2 ·a–1 ，高值区广泛分布于秦岭、米苍山和大巴山地区。

基于秦巴山脉地区物种多样性评估结果，从土地利用 / 覆被变化、植被类型、海拔高度以及NDVI 数据等评价指标识别出研究区域内物种多样性优先保护的关键区域和物种多样性分布的规律。结果表明秦巴山脉地区物种多样性空间分异特征明显，物种多样性的关键区域主要分布在秦岭、伏牛山、米仓山、大巴山以及神农架林区，海拔约为1000~2000 m 的中高山林地区域，这些地区物种高度丰富、植被覆盖好、生态环境质量水平高、人类活动干扰较少、生态系统类型多样，且多为自然保护区、森林生态系统集中区域，是珍稀动植物或国家重点保护动植物分布关键区域。

结合秦巴山脉地区土地利用特征，参考全球生态系统服务价值估算结果，核算研究区内主要生态系统服务能力的占比，结果表明，生态环境质量维持为该区域最重要的生态功能，占生态服务价值总量的 59.85%，第二为水源涵养功能，占生态服务价值总量的 14.24%，第三为生态产品供给功能，占生态服务价值总量的 11.49%，第四为气候调节功能，占生态服务价值总量的 9.79%，最后为水土保持功能，占生态系统服务价值总量的 4.63%。以此为依据，在进行生态系统服务重要性综合评价时，将本研究涉及到的水源涵养、水土保持、生态固碳和物种多样性服务能力的权重分别设定为 0.17、0.07、0.13 和 0.63。加权叠加后得到秦巴山脉地区生态系统服务重要性分级评价图（见图 1）。从图 1 可以看出，生态系统服务极重要和非常重要的区域主要分布在秦岭、伏牛山、米仓山、大巴山和神农架林区，这五处山脉形成了秦巴山脉地区的主体骨架，符合高生态服务能力区域主要分布在林地、水域、湿地等地区的特征。一般重要和比较重要的地区主要分布于汉中盆地、南阳盆地和四川盆地内，这些区域分布了秦巴山脉地区的大量建设用地，受人类活动干扰严重，生态系统服务能力较低。

图 2 秦巴山脉地区生态系统敏感性分级图

（三）基于生态系统服务的区域生态安全格局

1. 重要生态源地

综合考虑秦巴山脉地区生态系统服务重要性和生态敏感性来确定生态源地，将生态系统服务重要性和生态敏感性评价结果进行叠加，在 ArcGIS10.2中对叠加后得到的生态系统重要性空间分布进行冷热点识别，得到研究区生态保护重要性高低值的空间分布（见图 3）。根据区域冷热点的识别结果，以最大程度保护研究区内重要的生态区域为原则，选取在 90% 置信水平以上的生态保护重要热点区作为生态源地备选区域，剔除面积小于 5 km2 的斑块后，得到秦巴山脉地区的生态源地斑块，面积为1.356×105 km2 ，占研究区面积的 44.17%。

图 4 秦巴山脉地区生态系统安全格局

秦巴山脉地区生态安全格局由 6 大重要生态源地、12 条关键带状生态廊道和 26 处踏脚石廊道组成，生态源地主要围绕岷山、秦岭、伏牛山、豫西南山地、米仓山和大巴山展开分布，这些斑块包含了研究区内重要的自然保护地。其生态用地比例高、生态环境质量良好，连接生态源地的带状廊道呈树状辐射分布，生物廊道保障了东西方向上物种生态环境的完整性，河流廊道实现全区域南北方向上生态过程的连贯性和生态功能的延续性。

五、结语

通过将研究区内的 108 个自然保护区与生态安全格局叠加可发现，70% 以上的自然保护区都包含到了生态源地范围内。秦巴山脉地区内有 54 个国家级自然保护区，除了南阳恐龙蛋化石群国家级自然保护区、青龙山恐龙蛋化石群国家级自然保护区两处地质类自然保护区外，90% 以上的保护区都被纳入生态安全格局中，包含地质遗迹、内陆湿地、森林生态、野生动植物等保护类型，主要保护对象涉及水资源、湿地生态系统、山地森林生态系统及特有珍稀物种，如大熊猫、朱鹮、川金丝猴、羚牛、豹、华南虎、金钱豹、白鹳、黑鹳、林麝、豹、云豹、扭角羚、金雕、黑熊、鬣羚、血雉、金鸡、红腹角雉、黄喉貂、秃鹫、大灵猫、大鲵、栱桐、银杏、伯乐树、珙桐红豆杉、南方红豆杉、独叶草、华山新麦草等。与生态源地识别所采用的物种多样性、水源涵养重要性、生态敏感性等目标高度契合，说明生态安全格局的构建结果较为可靠。

生态安全格局主体集中在研究区内的主要山脉（秦岭、伏牛山、大巴山、岷山、米仓山）以及河谷区域，对秦巴山脉地区的生态安全起到了重要的保障和支撑作用，重要生态源地和生态廊道是未来发展过程中需要重点保护和进行生态建设的区域。基于生态系统服务功能重要性构建的秦巴山脉地区生态安全格局，是基于生态系统服务现状提出的区域空间生态规划策略，是识别生态保护底线，划定生态红线的基础和重要支撑，可为秦巴山脉地区国家公园规划布局，区域生态保护规划和生态文明建设提供重要依据；有助于秦巴山脉地区各省市在规划发展中充分考虑区域重要生态空间，以提高区域公共性生态产品供给为目标，进行行政单元内的生态空间建设和修复，以及省市间生态补偿机制的建立。在未来的研究中，如何确定最佳的带状生态廊道宽度、踏脚石廊道的最小面积，以及如何处理野生动物通道与公路的关系等，都是下一步需要研究的方向。

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基金资助

中国工程院重大咨询项目“秦巴山脉绿色循环发展战略研究（二期）”（2017-ZD-02）；国家重点研发计划项目“中国陆地生态系统生态质量综合监测技术与规范研究”（2017YFC0503806）()

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